（通信与信息系统专业论文）宽带短距离无线系统语音接入功能的设计与实现.pdf

摘要 本课题是江苏省高技术研究项目“宽带短距离无线接入技术研究( b g 2 0 0 5 0 0 1 ) ” 和江苏省科技攻关项目“基于多网融合技术的接入设备及其终端产品( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) ” 的研究内容之一，本论文的主要任务是实现宽带短距离无线系统中语音接入部分的 功能，研制基于蓝牙技术的公共电话网接入设备本文提出了一种宽带短距离接入 系统的总体方案，融合了无线个域网、无线局域网、蜂窝网、因特网和公共电话网 等多种异构网络；在嵌入式平台上，设计并实现了该系统的语音接入功能，研制了 蓝牙p s t n 电话网关和蓝牙语音终端；并在此基础上，对蓝牙接入前后的语音通信 系统的性能进行了仿真和比较分析。 全文共分五章。第一章概述了课题内容、背景以及本论文的章节安排。第二章 研究了宽带无线接入系统的关键技术，并基于异构网络融合的应用场景和功能需求 提出了系统总体设计方案，进而设计了语音无线接入部分的实现方案。第三章详细 阐述了嵌入式网关和终端平台的硬件设计方案，并给出了蓝牙收发模块、p s t n 接 口模块和网关控制模块等主要接口电路的设计实现。第四章讨论了嵌入式语音接入 设备的软件平台的设计和实现，在介绍了嵌入式软件开发平台配置和开发流程的基 础上，侧重阐述了嵌入式蓝牙协议栈b l u e z 的移植和开发以及蓝牙模块、p s t n 接 口模块和网关核心控制模块等的软件实现。第五章搭建了系统调试平台，进行了嵌 入式语音接入系统的功能测试和性能测试，验证了方案的可行性；然后利用语音通 ： 信网的基本话务理论，讨论并分析了采用蓝牙无线接入前后通信网的性能指标的变 化。 关键词：b l u e z ，嵌入式网关，语音接入，话务理论 a b s t r a c t t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si sf r o mt h er e s e a r c hp r o j e c t so ft h eh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fj i a n g a np r o v i n c e ( b g 2 0 0 5 0 0 1 ) n a m e dr e s e a r c h o fs h o r td i s t a n c e b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c l m o l o g i e sa n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yb r a i n s t o r mp r o g r a mo f j i a n g a up r o v i n c e ( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) n a m e dd e v e l o p m e n to fa c c e s sa n dt e r m i n a lp 慨b a s e d o nt h e a c r o s s - m u l t i - n e t w o r kt e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y t h em a i nt a s ki st or e a l i z et h ef u n c t i o no f a u d i oa c c e g $ i nt h i sb r o a d b a n dw i r e l e s ss y s t e m , d e v e l o pp u b l i cl e l e p h o n en e t w o r ka c c e d c 岫b a s e do nb l u e t o o t h i n 出j st h e s i s , as c h e m eo f s h o r td i s t a n c eb r o a d b a n dw i r e l e 嚣a a ；e 鹅s y s t e mj sp r o p o s e dt h a ti n t e g r a t e s m u l t i p l en e t w o r k si n c l u d i n gw p a n ，w l a n ，c e l l u l a rn e t w o r k , i n t e r n e ta n dp s t n b a s e0 1 1e m b e d d e d p l a t f o r m , t h ef u n c t i o no fa u d i oa c c e s si sd e s i g n e da n dr e a l i z e dw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no fb l u e t o o t h p s t ng a t e w a ya n db l u e t o o t ha u d i ot e r m i n a l t h e nt h er e s e a r c hc a r r i e so u ts i m u l a t i o na n da n a l y s i so f t h ep e m m 姗o f a u d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b e f o r e a n d a f t e r t h e f c a l 刎o f b l u e t o o t h w i r e l e s s a c o 蹄s t h ew h o l et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s f o l l o w s h c h a p t e r1 t h eb a c k g r o u n da n dt a s ko ft h er e s e a r c ha n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h i st h e s i sa m i n t r o d u c c d i nc h p t e c2 s o r t i ek e yt e c h n o l o g i e so f b r o a d b a n dw i r e l e s sa t e g s ss y s t e ma r ed i s c u s s e d o v e r a l l s y s t o md e s i g ni si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n v e r g e n c ea n d a p p l i c a t i o nr e q u h e m e n t t h e nas c h e m et oi m p l e m e n tt h ea u d i oa c c 搬k gs y s t e mi sp r o p o s e d h ic h a p t e r3 t h ed e t a i l e df g ：h e t u eo f h a r d w a r e p l a t f o r mo f t h ee m b e d d e dg a t e w a y a n dt e r m i n a li s i n t n x l u c e d , a sw e l la st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o i mm a i nm t e r f a c ec i r c u i t , i n c l u d i n gb l u e t o o t h n k i u l e p 5 汀ni n t e r f a c em o d u l ea n dg a t e w a yc o n t r o lm o d u l e h c h a p t e r4 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es o f t w a r ep l a t f o r mo ft h ee m b e d d e da u d i o a c gd e v i c ea d i s c u s s e d b a s e d 衄t h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o na n dd e v e l o p m e n t p r e c e d eo f e m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r m , t h et r a n s p l a n ta n dd e v e l o p m e n to f b l u e zp r o t o c o l ，a n dt h e r e a l i z a t i o no f b l u e t o o t hm o d u l e ，p s t nm o d u l ea n dg a t e w a yc o n l r o m o d u l ea r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r5 ，t h es y s t e mt e s t i n gp l a t f o r mi si m p l e m e n t e d ，a n dt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t o ft h ee m b e d d e da u d i oa c c e s y s t e ma r cc o n d u c t e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ei st e s t i f i e d t h e n , b a s e do nt h eb a s i ct r a f f i cm o d e lo f a u d i oc o m m u n i c a t i o nn e w o r k s ，t h ec h a n g eo f p c r f o r r n a n c e so f t h e a u d i oc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sb o t h w i t ha n dw i t h o u tw i r e l e s sa e s si sd i s c u s s e da n da n a l y z e d k e y w o r d s ：b l u e z ，e m b e d d e dg a t e w a y , a u d i oa c c e s s ，t r a f f i ct h e o r y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：z 红鱼自日期：! 翌! ：! ：j 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：7 醢丑6导师签名：研究生签名：噬捆凸导师签名： 瓣：础 第1 章绪论 1 1 课题的背景意义 第1 章绪论 随着笔记本电脑、手机和个人数字助理( p e r s o n a ld i 画诅la s s i s t a n t ，p d a ) 等个人通信终端 设备的日益普及，因特网、公众电话网( p u b l i c s w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ，p s t n ) 和公众移动 通信网的迅速发展，人们对移动通信的需求不断提高。未来的移动通信将以宽带、大容量、多 媒体为特色，人们需要能够在任何地点、任何时间和任何人进行信息交流，这对无线通信和网 络技术提出了更高的要求，推动着无线技术的高速发展和变革创新。 近年来无线网络技术在“最后一公里”的应用受到了越来越多的关注。围绕着可移动设 备如何接入多种公众通信网络、部分固定设备如何实现海量无线数据通信和满足人们多层次的 通信需求等基本问题国际上和国内已提出和正在提出一些标准，许多科研机构和跨国公司正 在研究和推出一些具有创新意义和实用价值的技术和实现方法。而宽带短距离无线接入技术是 其中最具代表性的解决方案之一。 短距离无线技术具有广阔的市场前景。它可以最大限度地利用各种固定设备灵活组网，在 合理利用频率资源的同时有效扩大系统的容量和通信覆盖范围：此外短距离无线设备的发射功 率也较小，这大大减少了人们对大功率设备的电磁辐射危害人体健康的忧虑；低成本和低功耗 的特性也扩大了其应用范围和领域，可为企业、商场和家庭等用户提供通信服务，提高市场竞 争力。 目前发展和应用比较成熟的短距离无线接入标准主要有以下几种：采用i e e e8 0 2 1 l 系列协 议和h i p e r l a n ( h i g hp c 面n m er a d i ol a n ) 技术为代表的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k , w l a n ) 标准：由e r i c s s o n 等公司发起成立的“蓝牙特别兴趣组”( b l u e t o o t hs p e c i a l i n t e r e s tg r o u p b s i g ) 提出的蓝牙技术为代表的无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , w p a n ) 标准。此外。无线传感器技术和红外技术等标准也以各自的特点在低功率无线接入领 域占据一席之地。这些小区域的无线接入技术符合无线多媒体通信的标准可以提供无线多媒 体服务和全球漫游等功能。由于采用了扩频码分多址的技术，它们大都具有较强的多址能力和 抗干扰能力，能与适合大范围快速移动应用场景的系统相辅相成，合理地解决通信系统中带宽 与容量之间的矛盾l l j 。 上述的无线网络将逐步代替传统的有线网络，成为接入骨干通信网络的最后一跳，为用户 动态地提供“永远在线“的尽可能高速率的语音和数据等各项多媒体移动通信业务8 】。其中， p s t n 电话网主要提供高质量的语音通信业务，因特网提供全球范囝的信息资源共享和交互，以 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k a g er a d i os e r “c e ，g i r s ) 网为代表的蜂窝网等移动通信网则提 供实时性和高移动性的语音通信和低速数据通信业务，无线局域网提供高速率的数据传输业务， 而无线个域网可极大程度地满足个人通信的多种需求p j 由此可见，未来透信的发展趋势已经不再是单一的无线通信技术一统天下的格局，多种通 信网络和无线接入技术将长期共存并互相补充。随着因特网速率的不断提高、无线局域网和 无线个域网的进一步普及和发展以及伴随着的短距离接入技术的日趋完善，如何使提供不同业 务的网络协同工作，完成多种网络、多个通信设备和不同通信协议之间的无缝连接，从而实现 在一个通用的平台上的异构网络的融合也将成为未来技术发展的重要目标之一1 j 目前，虽然 异构网络的融合还处于研究和发展的起步阶段，但可以预见的是，未来的无线网络将是整合了 东南大学硕士学位论文 多种网络，以口技术为核心，建立在i p v 6 基础上，能够满足移动口的要求和不同通信业务对 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的要求的宽带异构网络。 本课题将重点研究融合p s t n 、g p r s 、w l a n 和w p a n 等多种网络的宽带短距离无线接 入系统，并侧重语音无线接入设备的研制。 1 2 论文主要内容及各章节安排 本论文研究了宽带短距离无线接入的相关技术，提出了基于异构网络融合的宽带无线系统 的解决方案，进而详细阐述了语音接入设备的总体设计方案和实现。本课题采用嵌入式处理器 a t 9 1m 9 2 0 0 为硬件平台核心，嵌入式l i n u x 操作系统为软件平台基础，完成了蓝牙p s t i q 语 音接入的软硬件实现，主要包括嵌入式蓝牙协议栈b l u e z 在a r m 平台的移植、电话控制规范 ( t e l e p h o n ec o n t r o ls p e c i f i c a t i o n , t c s ) 协议的开发以及网关控制模块的研制；进行了系统功能 和性能测试，验证了方案的可行性；最后根据语音通信网的基本话务模型理论，仿真和对比分 析了采用蓝牙无线接入技术前后语音通信网的性能指标 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍课题的背景意义以及论文各章节的安排。 第二章宽带短距离无线系统语音接入设备总体方案。本章首先介绍了宽带短距离接入的若 干关键技术，根据宽带接入的应用场景和功能需求提出了系统的整体设计方案，并在此基础上， 给出了语音接入部分的解决方案。 第三章嵌入式语音接入设备硬件平台的设计与实现。本章分别给出了嵌入式网关和终端的 硬件平台设计与实现。首先介绍了网关的硬件总体设计方案采用嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 ( 3 0 为硬件平台核心，详细阐述了蓝牙收发模块、p s t n 模块等几个关键接口电路的实现。其次给出 了终端硬件平台的实现方案，重点介绍了蓝牙模块和语音编解码模块的设计实现。 第四章嵌入式语音接入设备软件平台的设计与实现本章首先介绍了嵌入式l i n u x 操作系 统以及嵌入式软件开发的模式和流程，详细阐述了网关的软件平台实现，包括b l u e z 的移植和 配置，电话控制规范协议t c s 的软件实现，蓝牙模块、p s t n 接口模块和网关核心控制模块的 设计实现；最后给出了终端的软件实现方案。 第五章语音接入部分的测试及性能分析。本章搭建了嵌入式语音系统的测试平台，对开发 板、蓝牙模块和系统整体功能进行了测试，并给出了语音性能的测试和分析；然后利用语音通 信网基本话务模型，对话务量和平均呼损率等性能指标进行了分析，通过m a f l a b 仿真，讨论并 比较了采用蓝牙无线接入前后的语音通信网的性能改善 2 第2 章宽带短距离无线系统语音接入设备总体方案 第2 章宽带短距离无线系统语音接入设备总体方案 本章首先研究并讨论了宽带无线接入系统中的一些相关技术，提出了在一个通用平台上利 用无线接入技术融合多种网络并提供各类业务的方案，进而根据具体应用场景和功能需求给出 了基于异构网融合的宽带短距离无线系统设计方案；并在此基础上，给出了蓝牙语音无线接入 部分的总体设计方案和框图。 2 1 宽带无线接入关键技术研究 宽带无线接入系统涉及到了多种短距离接入技术，例如蓝牙、z i g s e e 和i e e e 8 0 2 1 1 系列 标准，系统利用这些接入技术将不同的网络融合起来，从而为用户提供多业务的服务平台可 见网络融合和无线接入是整个系统的关键技术，下面对这几个技术进行阐述和研究。 2 1 1 异构网络融合技术 目前，不同的网络都有着各自特定的适用场景，但没有哪一种通信网络可以满足人们所有 的通信需求。图2 1 给出了各类移动通信网( 2 g 2 5 g 和3 g ) 和宽带接入网络( w l a n ，w p a n 等) 的应用场景和数据速率比较。 移动性， 遗，广麓 髓，户井 步行侗鼍 一定，室内 0 0 10 1 11 01 0 0 数据速率( m b p s ) 图2 1 各种移动通信网和无线接入网的特征比较 由图中可以看出多样化的无线接入网络具有不同的业务特征和业务能力。可以适应不同 场景下用户对通信服务个性化的需求。从这些现有的网络和技术出发，实现异构网络的互补融 合，可极大地满足用户和市场的多层次通信要求。因此，异构网络的融合将成为目前和今后移 动通信发展的必然趋势 由于不同无线接入技术所使用的空中接口技术和相关协议在实现方式上具有差异性和不可 兼容性，故网络的异构性主要表现在以下方面： 使用的频谱资源不同。各种无线接入技术具有不同工作频段和物理特性，以满足特定的 技术和业务需求。 物理层技术的差异。这是导致各种技术空中接口无法兼容的主要原因，包括调制技术， 东南大学硕士学位论文 天线技术、加密技术和测量技术等 通信协议栈和管理控制机制不同。这要求设计者能根据所使用的无线资源和针对的业务 特点设计合理的协议栈，以保证通信各层之间的有效交互 移动终端、业务和运营商的异构性。移动通信终端包括计算设备、消费电子设备等多样 的具有无线接入能力的设备。各种终端具有不同的接入能力、人机交互能力、计算能 力和移动能力。不同的业务类型( 如传统的电信业务、交互应用的交易型业务、以内 容为主( 流媒体和数据等) 的业务等) 具有对终端和网络不同的服务质量q o s 标准和 相异的特征参数。而不同的运营商会采用不同的设计策略，包括资源分配策略，计费 策略和认证与鉴权策略等 为了解决上述的网络异构性带来的融合难题，国际标准化组织3 g p p 在其r 6 协议版本中， 将统一的未来移动通信网络系统的设计且标定位于全口网络的构建，即用户可基于无线口的 接入方式。将广域、局域、车域、家庭域和个人域的各种设备进行口互连。这将简化移动网络 和固定网络之间的互通性要求，易于引入丰富的数据业务和多媒体业务。使得业务承载完全以 口为基础各网络间及网络内部的各功能事体间通过口信令实现资源分配、上下文切换和功能 实体的管理配置等功能，从而提供一个统一的面向应用的接口 目前，异构网络融合的方案主要包括因特网与无线网络的融合、移动通信网和w l a n 的融 合以及w p a n 与其他网络的融合等。因特网与无线网络的融合将会带来一个宽带、多媒体化并 适用于移动环境的移动因特网使得用户可以在移动的过程中高速地接入因特网而w l a n 的 高数据传输率和低建网成本正好是移动通信网络的有力补充。目前已有很多关于w l a n _ 和2 g 、 g p r s 和3 g 的融合方案。其中，3 g p p 提出了移动通信网络与w l a n 互通的六种不同场景以及 松耦合、紧耦合和更紧耦合三种互通模式【”。例如，g p r s 与w l a n 的融合可用两种经典模式 实现松耦合模式下，w l a n 使用g p r s 网络的用户数据库，但与g p r s 的核心网络并没有接 口，只是作为g p r s 网络的一个补充；而紧耦合模式下，w l a n 直接连接到g p r s 核心网。当 移动通信网用2 g 或3 g 代替g p r s 网时，它们与w l a n 的融合和上述模式相似。 异构网络融合的核心技术主要包括移动口技术和网络安全技术等。其中移动口技术用 于实现一个终端在两个或多个不同的接入网之间漫游和无缝切换，它提供了一种口路由机制， 使得移动节点能够以一个永久的口地址连接到任何子网中。一般的移动口系统由家乡代理 ( h o m e a g e n t h a ) 、通信节点( c o r r e s p o n d e n t n o d e ，c n ) 、外地代理( f o r e i g n a g e n t , f a ) 和移 动节点( m o b i l e n o d e ，m n ) 等部分构成。移动节点通过通信节点从家乡代理接收到数据。家乡 代理管理流向移动节点的数据，当移动节点在本地网络时，家乡代理的作用就是一个普通的路 由器。当移动节点离开本地网络进入外地网络时，家乡代理收到当前移动节点所处的外地网络 发过来的转交地址( c a s c _ o f a d d r e s s ) 。这样，家乡代理可利用隧道功能把从通信节点传过来的 数据通过外地代理路由送到移动节点。 2 1 2 蓝牙技术 无线个域网的出现为个人移动通信提供了多样化的可移动服务。其中的典型代表是蓝牙技 术。蓝牙作为一种短距离无线接入技术，在无线语音传输方面有着独到的优势。 蓝牙起源于1 9 9 4 年，是由爱立信，m m 、i m e l 、诺基亚和东芝等公司联合主推的一项无线 通信技术旧。它工作在2 4 g h z 的i s m 频段，使用7 9 频道，间隔均为1 m h z ；采用时分双i ( t i l l n c d i v i s i d u p j e x ，t d d ) 方式：调制方式为b t = 0 5 的高斯频移键控( g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f t k c v i i l g g f s k ) ，调制指数为o 2 8 , - 0 3 5 ；昂大发射功率分为三个等级，分别是：1 0 0 r o w ( 2 0 d b m ) ， 4 第2 章宽带短距离无线系统语音接入设备总体方案 2 5 m w ( 4 d b m ) 和l m w ( 0 d b m ) ，在4 - 一2 0 d b m 范围内要求采用功率控制，蓝牙考虑的最大 通信距离大约为1 肛1 0 0 米。但配置功率放大器可以进一步增大通信距离。 下面从蓝牙的协议体系、应用框架和特点优势等方面进行介绍，并着重给出与宽带无线接 入系统相关的技术特征。 ( 1 ) 蓝牙的协议结构 蓝牙技术规范( b l u v t o o t hs p e c i f i c a t i o n ) 由蓝牙特别兴趣小组s i g 制定。在使用通用无线传 输模块和数据通信协议的基础上开发交互式服务和应用蓝牙体系结构中的协议按照逻辑功 能，自下而上可以分为如下三层【7 】： 传输协议：射频部分、基带与链路控制器、链路管理器协议( l i n km a n a g e rp r o t o c o l , l m p ) 、逻辑链路控制与适配协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l , l 2 c a p ) ； 中间协议：串口仿真协议( r a d i o f r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o n , r f c o m m ) 、服务发现协议 ( s a v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l 。s d p ) 、电话控制协议t c s 等； 应用协议 其中，基带和l 2 c a p 层确保微微网p i c o n e t 内各蓝牙设备单元之问由射频构成的物理连接。 l m p 协议负责蓝牙各设备间连接的建立它通过连接的发起、交换、核实，进行身份验证和加 密，通过协商确定基带数据分组大小；它还负责控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微 微网内设备单元的连接状态等r f c o m m 是基于e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s h s t i t u t c ) 0 7 1 0 规范的串行线仿真协议。它仿真r s 2 3 2 控制信号和数据信号，为使用串行线传 送机制的上层协议提供服务。电话控制协议有二元电话控制和a t 命令集电话控制之分。二元电 话控制协议( t c sb i n a r y 或t c sb i n ) 是基于国际电信联盟电信标准规划部( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m n n i c 鲥u n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n s e c t o r , i t u - t ) q 9 3 1 建议的面向比 特的蓝牙电话控制协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，负责处理蓝牙 t c s 设备群的移动管理进程。a t 命令集电话控制协议是s i g 根据u - t v 2 5 0 建议和g s m 0 7 0 7 定义的a t 命令集，可控制多用户模式下的移动电话和调制解调器，并可用于传真业务的 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设备与远端设备需要 相同的协议不同应用需要不同的协议。不是任何应用都必须使用上述所有协议。本系统中， 蓝牙语音终端和网关的系统体系主要包括基带与链路控制器、主机控制接口( h o s tc o n t r o l i n t e r f a c e h c i ) 、l 2 c a p ，s d p 、t c s b i n a r y 以及应用层 ( 2 ) 蓝牙的应用框架_ j 蓝牙技术可以应用于多种场合，为了保证不同蓝牙产品的通用性和兼容性，蓝牙标准为基 本的应用都定义了一系列的应用框架( p r o f i l e ) 。每个应用框架都包括支持该应用的一组功能。 包括必备功能、可选功能和条件功能等。目前主要的应用框架有通用接入应用框架( g e n e r i c a c c e s sp r o f i l e , g a p ) ，服务发现应用框架( s e v i e c ed i s c o v e r ya p p l i c a t i o np r o f i l e ，s d a p ) 、文件传 输应用框架( f i l et r a n s f e rp r o f i l e ，f r p ) 和通用对象交换应用框架( g e n e r i co b j e c te x c h a n g ep r o f i l e ， 0 0 e p ) 等。其中，g a p 是最基本的应用框架，定义了有关蓝牙设备发现的一般流程 为兼容现有的语音协议标准，实现蓝牙的语音应用s i g 在电话控制二进制协议规范的基 础上推出了无绳电话应用框架( c o r 珊e s s t c l 印h e p r o f i l e ，c i v ) ，即蓝牙。三合一电话”应用模 型：蓝牙语音终端可作为普通电话，内部电话或蜂窝移动电话使用。其应用模型的协议与实体 如图2 2 所示。 东南大学硕士学位论文 ? i 。7 面关应用程序 一1 卜 终端应用程序。w 5 一 、r ：， ：；网关控制 写 终端控制 一 电话控制= 进制 凰务发现协议，1卜、 般务发现协谈电话控制= 进制 ( t c s - b i n a r y )( s d p )、 ( s d p )( t c s - b i n a r y ) 链路管理协议链路控制与适配 g参 链路控制与适配链路管理协议 ( l 皿) 协议( l 2 c a p )协议( l 2 c a p l ( l m 田) 基带( b a s e b a n d ) g参 基带( b a s e b a n d ) 一 。射频( r a d i o ) ，1 卜 射频( r a d i o ) ：“ 、j 一 图2 2 无绳电话应用协议模型 ( 3 ) 蓝牙在语音传输中的优势 蓝牙支持6 4 k b i t s 的实时语音传输和各种速率的数据传输，其语音编码可采用g 7 1 1 对数脉 冲编码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 或连续可变斜率增量调制( c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p e d e l t a m o d u l a t i o n c v s d ) 。语音和数据可单独或同时传输。g 7 1 1 是目前使用最普遍的编码技术 之一，且在世界范围内的电路交换电话网中得到了普遍的使用。它以8 0 0 0 h z 作为抽样频率，占 用6 4 k b i t s 的带宽。c v s d 是一种自适应增量调制技术，可以提高增量调制的动态范围从而提高 信噪比比较适合处理丢失和被损坏的语音采样。这两种编码方式在不重发语音数据包的情况 下也能获得高质量传输的音频编码，充分地保证了话音的服务质量，也可适用于嘈杂的环境中 蓝牙技术使用跳频技术，具有较强的抗干扰能力和多址能力它的调频序列周期很长，时 隙长度为6 2 5 岫，所以一次循环经历的时间可达约2 3 个小时。如此长的周期可以防止当几个微 微网共存时干扰图案的重复，大大减少不同类型网络和相同网络之间的干扰，特别适合对同步 要求很高的语音业务。 此外，s i g 也致力于开发蓝牙在语音方面的各类应用以及相应的参考框架。例如上面提到 的无绳电话应用框架c r p 和通用音频视频分发应用框架( a u d i o 厅d e or e m o t ec o n t r o lp r o f i l e 腻p ) 等 鉴于蓝牙技术在语音传输和无线接入方面的诸多优势，它将在宽带短距离无线系统中发挥 关键的作用，并为语音接入部分功能的实现提供重要支持。 2 1 3 无线局域网技术 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能。无线局域网络能 利用简单的存取构架让用户透过它，达到。信息随身化，便利走天下”的理想境界 1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算 机专家审定通过的标准，其物理层标准主要有i e e e 8 0 2 1 l b a g 。 i e e e 8 0 2 1 l b 标准是i e e e 8 0 2 1 1 协议标准的扩展。它可以支持晟高1 m b p s 的数据速率， 运行在2 4 g h z 的i s m 频段上，采用补偿码键控( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 调制技术。 c c k 通过与接收端的r a k e 接收机配合使用，能够在高效率的传输数据的同时有效地克服多径 效应。 i e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频段上，使用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l 卸l e x m g ，o f d m ) 调制技术，可支持5 4 m b v s 的传输速率。o f d m 技术是一种无线环境下的 高速多载波传输技术，它在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个 6 第2 章宽带短距离无线系统语音接入设备总体方案 子载波进行调制。并且各子载波并行传输，从而有效的抑制无线信道的时间弥散所带来的符号 间干扰( i n t e r - s i g n a li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。相比8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a 传输速率高且抗干扰能力强，但 价格也相对较高。另外，两者工作在不同的频段上，因此不能工作在同一接入点( a c c e s s p o i n t , a p ) 的网络里，互不兼容。 为了解决上述兼容问题，进一步推动无线局域网的发展，2 0 0 3 年7 月8 0 2 1 1 工作组批准了 8 0 2 1 l g 标准。i e e e 8 0 2 1 l g 在2 a g 频段也使用o f d m 调制技术，数据传输速率可高达2 0 m b p s 以上。8 0 2 1 l g 能够与8 0 2 1 l b 的w i f i 系统互相连通，共存在同一a p 的网络里，保障了后向兼 容性。这样原有的w l a n 系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了i e e e 8 0 2 1 l b 产品的 使用寿命，降低了用户的投资。 之后i e e e 成立了8 0 2 1 l n 工作小组，旨在制定一项新的高速无线局域网标准8 0 2 1 l n i e e e 8 0 2 1 l n 计戈n 将w l a n 的传输速率从8 0 2 1 l a 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b l x 以上。最高速率 可达3 2 0 m b p s ，成为8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 之后的另一场重头戏和以往的8 0 2 1 1 标准不 同。8 0 2 1 l n 协议全面改进了8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传 输技术提升媒体接入控制( m e d i a a c r o s sc o n l t o l 。m a c ) 层的性能优化数据帧结构，提高网络 的吞吐量性能。它具有双频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) 这样保障了与之 前的的8 0 2 1 i a 、8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 1 9 标准的兼容。i e e e s 0 2 1 l n 计划采用多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l eo u t p u t , m i m o ) 与o f d m 相结合，可使传输速率成倍提高。m i m o 技术能在不增 加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。另外，天线技术及传输技术的应用 使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里甚至更广( 并且能保障1 0 0 m b p s 的传输 速率) 。 。 由于w l a n 具有安装便捷、易于扩展、传输速率高和抗干扰性强等优势，近年来保持着迅 速的发展势头，在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的公共场所得到了广泛的应用。 2 1 4z i g a e e 技术 “ z i g b e e 技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的短距离 无线通信技术。与上面介绍的蓝牙和无线局域网技术不同，z i g b e e 技术致力于提供一种廉价的 固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、低成本和低功耗的低速率无线通信其最大传输速 率为2 5 0 k b p s 。 z i g a e e 节点的功耗很低，在工作模式情况下，由于传输速率低且传输数据量很小，信号的 收发时间较短，而在非工作模式时，z i g a e e 节点将处于休眠模式。设备搜索时延一般为3 0 m s ， 休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s 。工作时间较短、收发信息功耗较低且 采用了休眠模式，使得z i g b e e 节点非常省电，z i g b e e 节点的电池工作时间可以长达6 个月到2 年左右。此外，z i g b e e 技术具有较高的数据传输可靠性。z i 【g b e e 的媒体接入控制层( m a c 层) 采用t a l k w h e n r e a d y 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需 求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若 没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传 输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲 突。z i 2 b 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。 z i g b e e 还具有强大灵活的组网能力其无线网络的拓扑结构如图2 3 所示z i g b e e 定义了 两种器件：全功能器件( f u n f u n c t i o ud e v i c e ，f f d ) 和简化功能器件( r e d u c e d - f u n c t i o nd o r i c , e ， r f d ) 。对全功能器件，要求它支持所有的4 9 个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时 7 东南大学硕士学位论文 只要求它支持3 8 个基本参数一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话。井 按3 种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件 通话。仅用于非常简单的应用一个z i g b c e 的网络最多包括有2 5 5 个z i g b e e 网路节点，其中 一个是主控( m a s t e r ) 设备，其余则是从属( s l a v e ) 设备若是通过网络协调器( n e t w o r k c o o r d i n a t o r ) ，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网路节点，再加上各个网络协调器 可互相连接，整个z i g b e e 网络节点的数目将十分可观。 图2 3z i g a 网络拓扑结构图 z i i g b e e 的协议框架如图2 4 所示，它是一组基于m e e 批准的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的 组网、安全和应用软件方面的技术标准。z j g b 产品工作在i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层的三个免费 开放频段。在2 4 g h z 上提供2 5 0 k b i